Работа со енергија од ветер
Оваа лекција се фокусира на тоа како енергијата на ветерот може да се генерира и од големи и од мали размери. Студентски тимови дизајнираат и градат работна турбина на ветер од секојдневни материјали што можат да подигнат чајче за една минута или помалку.
- Дознајте за енергијата на ветерот и ветерните турбини.
- Дознајте за инженерскиот дизајн.
- Дознајте како инженерството може да помогне во решавањето на предизвиците на општеството.
- Дознајте за тимска работа и решавање на проблеми.
Возрасни нивоа: 8 - 18
Изградба на материјали (за секој тим)
Потребни материјали
- Bagsесички чај (со конец)
Факултативни материјали (тргување / табела со можности)
- Wireица што може да се свитка
- Стринг
- Спајалици
- Гумени ленти
- Четки за заби
- Алуминиумска фолија
- Пластични листови
- Дрвени долови
- Картон
- Сврзувачки клипови
- Сврзувачки елементи за хартија
- Облека
Материјали за тестирање
- Фен за коса или мал вентилатор
материјали
- Фен за коса или мал вентилатор
- Стоперка или тајмер
Процесот на
Држете фен за коса или вентилатор (поставен со средна брзина) оддалечен од ножот на турбината минимум 3 стапки. Користете тајмер за да одредите колку време е потребно за да се подигне тежината (вреќа со чај) за 6 инчи. Целта е да ја подигнете чантата за чај за 1 минута или помалку. Документирајте го времето на секој тим.
Ветерна турбина: Како работи
Извор: Научете инженеринг канал на YouTube
Извори на ветер во вашата област?
- Дали имате ветерници во вашата област? Колку?
- Колкав е вкупниот работен капацитет на ветерот?
- Каде е вашата област на светската листа?
- Како можете да го прославите глобалниот ден на ветрот?
- Проверете ги следниве страници за да ви помогнеме да најдете одговори:
- Ветерната моќ (thewindpower.net)
- Национална лабораторија за обновлива енергија (www.nrel.gov/wind)
- Ветер Европа (https://windeurope.org)
- Асоцијација на данска индустрија за ветер (www.windpower.org)
- Глобален совет за енергија од ветер (www.gwec.net)
Глобален ден на ветрот (www.globalwindday.org)
Дизајн предизвик
Вие сте тим инженери предизвикани да дизајнираат и да изградат ефикасна ветерница. Дизајнот што ги исполнува критериумите и е најмалку скап ќе биде најефикасен.
Критериуми
- Мора да има вратило на роторот околу кое треба да се навива дадената тежина (вреќа за чај)
- Мора да биде самостоен (без човечка интеракција)
- Тежина (вреќа за чај) што треба да се подигне 6 ин. За 1 минута или помалку
- Фен или мал вентилатор на минимум 3 метри од турбината и со средна брзина
- Останете во рамките на вашиот буџет од 5.00 УСД
Ограничувања
- Максималното време за тежина при навивање е 1 минута
- Мора да ги купите вашите материјали - можете да тргувате и да враќате материјали
- Пауза од часови во тимови од 2-4.
- Поделете го работниот лист Дизајн за сопствена ветерна турбина, како и неколку листови хартија за скицирање на дизајни.
- Дискутирајте за темите во Делот за концепти за позадина.
- Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвикот за дизајн, критериумите, ограничувањата и материјалите. Ако времето дозволи, прегледајте ги „Апликации во реалниот свет“ пред да го спроведете предизвикот за дизајн.
-
Пред да им наложите на учениците да започнат бура на идеи и да ги скицираат своите дизајни, замолете ги да размислат за следново:
● Број на сечила
● Облик на сечилата
● Јачина на сечилата
● Насока на која седи ветерницата: може да биде вертикална или хоризонтална
● Ефикасност и не трошење на сите пари - Обезбедете им на секој тим свои материјали.
- Објаснете дека учениците мора да развиваат турбина на ветер од секојдневни предмети. Турбината мора да има вратило на роторот околу која ќе ја навива дадената тежина (вреќа со чај) и мора да биде самостојна (без човечка интеракција).
- Најавете го времето што треба да го дизајнираат и изградат (се препорачува 1 час).
- Користете тајмер или он-лајн стоперка (одбројување одлика) за да се осигурате дека ќе бидете навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дајте им редовни „проверки на времето“ на студентите за да останат на задачата. Ако се борат, поставете прашања што побрзо ќе ги доведат до решение.
- Студентите се среќаваат и развиваат план за нивната турбина на ветер. Тие се согласуваат за материјалите што ќе им бидат потребни, го напишуваат / нацртаат својот план и го презентираат својот план на часот. Екипите можат да разменуваат неограничени материјали со други тимови за да го развијат својот идеален список со делови.
- Екипите ги градат своите дизајни.
- Тестирајте ги дизајните на ветерната турбина држејќи фен за коса или вентилатор (поставен на средна брзина) од минимум 3 стапки од ножот на турбината. Користете тајмер за да одредите колку време е потребно за да се подигне тежината (вреќа со чај) за 6 инчи. Целта е да ја подигнете чантата за чај за 1 минута или помалку.
- Екипите треба да го документираат времето што им требаше на нивната турбина за да се подигне чанта со чај.
- Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
- За повеќе содржини на темата, видете ги деловите „Апликации во реалниот свет“ и „Копање подлабоко“.
Буџет за дизајн
Екипите мора да ги купат своите материјали. Секој тим добива 5.00 УСД за трошење.
Облик на сечилото и тело на ветерница
- Занаетчиски стапчиња: 25 долари
- Wireица што може да се свитка, 25 долари
- Дрвени спојници / стапови, 25 долари
- Картон Штип .10 $
- Чепкалки за заби .10 $
Покријте за сечилото
- Алуминиумска фолија Лист 25 $
- Пластични чаршафи .25 долари
конектори
- Стринг .10 $
- Пакет-клипови 05 долари
- Гумени ленти 05 долари
- Сврзувачки клипови 05 долари
- Сврзувачки елементи за хартија, 05 долари
- Сенки за облека, 05 долари
Запомнете дека тимовите можат да тргуваат со други тимови, ако останат без материјали. Екипите исто така можат да ги враќаат и разменуваат сите материјали што не се користат.
Факултативно: Пресметајте ја ефикасноста
Ефикасноста на дизајнот ќе зависи од повеќе од цената.
- Цената на материјалите
- Брзина (ротации во минута)
- Моќност (време до тежина на ветерот)
- Мерка на ефикасност = (цена на материјалите) /
(време [сек] за подигнување на тежината)
Инженерите ќе работат на ова поле со години што треба да одредат оптимална форма, тежина и материјали за да се генерира енергија најефикасно!
Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)
- Дали успеавте да создадете ветерница која работи една минута што може да крене предмет? Ако не, зошто не успеа?
- Дали одлучивте да го ревидирате вашиот оригинален дизајн или да побарате дополнителни материјали додека сте во фаза на изградба? Зошто?
- Дали преговаравте за какви било материјални занаети со други тимови? Како работеше тој процес за вас?
- Ако можевте да имате пристап до материјали што беа различни од предвидените, што ќе бараше вашиот тим? Зошто?
- Дали мислите дека инженерите треба да ги прилагодат своите оригинални планови за време на изградбата на системи или производи? Зошто би можеле?
- Ако требаше да го сторите тоа одново, како би се сменил вашиот планиран дизајн? Зошто?
- Како се разликуваше најефикасниот дизајн (оној со најниска цена или буџет) од вашиот?
- Дали мислите дека би можеле полесно да го завршите овој проект ако работевте сами? Објасни
- Кои недостатоци ги има ветерната турбина како сигурен извор на енергија? Кои технологии постојат што можат да ги компензираат овие недостатоци?
- Кои предности ги има ветерницата како обновлив извор на енергија?
Модификација на времето
Лекцијата може да се заврши во период од само 1 час за постари ученици. Сепак, за да им помогнете на студентите да се почувствуваат избрзани и да обезбедат успех на студентите (особено за помладите ученици), поделете ја лекцијата во два периоди, давајќи им на студентите повеќе време за бура на идеи, тест идеи и финализирање на нивниот дизајн. Спроведете тестирање и дебрифија во следниот час.
Опции за сечилото
Дизајн на сечилото
Ножевите се во многу форми и големини, и продолжува истражувањето за тоа кој дизајн е најдобар. Излегува дека оптималниот дизајн навистина зависи од апликацијата, или каде и како ќе се користи сечилото. Дизајнерите гледаат на „односот на брзината на врвовите“ што ја одредува ефикасноста. Ова е односот помеѓу брзината на ветерот и брзината на врвот на сечилото. Турбините со 3-сечила со висока ефикасност имаат стапки на врвови / брзина на ветер од 6 до 7.
Колку ножеви?
Повеќето турбини на ветер користат или две или три сечила. Истражувањата покажуваат дека како што се додаваат повеќе ножеви, се зголемува аеродинамичката ефикасност, но оваа ефикасност драматично се намалува со секое додадено сечило. На пример, зголемувањето на бројот на ножеви од еден на два може да донесе шест проценти зголемување на аеродинамичката ефикасност, но зголемувањето на бројот на ножевите од два на три дава само дополнителни три проценти ефикасност. И, се разбира, има и импликации врз трошоците. Секој дополнителен нож во дизајнот ќе ја зголеми цената на крајниот производ, така што инженерите треба да земат предвид и зголемената ефикасност и зголемената цена на производството за да утврдат дизајн кој ќе биде најдобар за една апликација. Естетиката е исто така предвид. Дизајнот на мала, две или три сечила може да биде најдобар за станбена област, каде што сопственик на куќа само сака да извлече од ветерот доволно енергија за да го напојува сопствениот дом и претпочита потивка опција. Гигантскиот дизајн на 12 сечила не изгледа многу убаво над нивниот дом и можеби ќе генерира повеќе енергија отколку што им треба, а веројатно и повеќе бучава! Десно може да видите како НАСА тестирала контофигурација на роторот со една сечива.
материјали
Раните ветерници беа изработени од дрво со едрили од платно. Овие се влошија со текот на времето и бараа грижа - но тие ги претставуваа материјалите лесно достапни! Во поново време, постарите ножеви за механичка турбина беа изработени од тежок челик… но сега многу се направени со употреба на фиберглас и други синтетички материјали кои нудат јачина при помали тежини. И, градежните материјали со помала тежина може да резултираат во поголеми сечила за да се фати поголем ветер во апликации каде големината и просторот не се проблем. Производителите исто така користат композити базирани на епоксиди кои можат да понудат производствени предности во однос на другите материјали бидејќи процесот има помало влијание врз околината и може да резултира во помазна завршна обработка на површината. Јаглеродните влакна се идентификувани и како ефективни методи за понатамошно намалување на тежината и зголемување на вкочанетоста. Помалите сечила може да се направат од лесни метали како што се алуминиум. Инженерите ќе работат на ова поле со години што треба да одредат оптимална форма, тежина и материјали за да се генерира енергија најефикасно!
- Инженери: Пронаоѓачи и решавачи на проблеми во светот. Дваесет и пет главни специјалитети се признати во инженерството (види инфографик).
- Инженерски навики на умот (ЕХМ): Шест уникатни начини на кои мислат инженерите.
- Процес на инженерско дизајнирање: Инженерите на процеси користат за решавање на проблеми.
- Критериуми: Услови што дизајнот мора да ги задоволи како неговата вкупна големина, итн.
- Ограничувања: Ограничувања со материјалот, времето, големината на тимот, итн.
- Прототип: Работен модел на вашето решение што треба да се тестира.
- Повторување: Тестот и редизајнот е една повторување. Повторете (повеќе повторувања).
- Енергијата на ветерот: Енергија на ветер или енергија на ветер е употреба на ветер за да се обезбеди механичка моќ преку турбини на ветер за да се вртат електрични генератори и традиционално да се извршува друга работа, како што е мелење или пумпање.
- Ветерна турбина: Дали е конвертор на енергија на ветерот - уред што ја претвора кинетичката енергија на ветерот во електрична енергија.
- Аеродинамичка ефикасност: Мерка која проценува дизајн за генерирање аеродинамички сили за ефикасни параметри на летот.
- Однос на брзина на врвовите: Дали е односот помеѓу тангенцијалната брзина на врвот на сечилото и реалната брзина на ветерот.
- Обновлива енергија: Енергија или енергија на ветерот е употреба на ветер за да се обезбеди механичка моќ преку турбини на ветер за вртење електрични генератори и за извршување друга работа, како што е мелење или пумпање.
Интернет конекции
- Национална лабораторија за обновлива енергија - Истражување на ветерот
- Ветер Европа
- Здружение на данската индустрија за ветер
- Глобален совет за енергија од ветер
- Глобален ден на ветрот
Препорачано четиво
- Енергија на ветер: Обновлива енергија за домови, фарми и деловни активности (ISBN: 1931498148)
- Основи на енергијата на ветерот: Водич за мали и микро системи на ветер (ISBN: 1890132071)
- Водич за обновлива енергија на сопственикот на домот (ISBN: 086571536X)
Активност за пишување
Напишете есеј за тоа дали ветерна електрана - дури и ако тоа би обезбедила енергија за локалното подрачје - би било добра идеја да се стави во центарот на вашиот роден град. Што е со реката Темза во Лондон или непосредно пред одморалиште на плажа?
Усогласување со рамки на наставните програми
Забелешка: Плановите за лекции во оваа серија се усогласени со еден или повеќе од следниве групи на стандарди:
- Стандарди за образование на науки во САД (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Научни стандарди на следната генерација на САД (http://www.nextgenscience.org/)
- Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Национален совет на наставници по математика на САД, принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Заеднички основни државни стандарди на САД за математика (http://www.corestandards.org/Math)
- Здружение на наставници по компјутерски науки К-12 Стандарди за компјутерски науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Национални стандарди за образование во наука Оценки К-4 (возраст 4 - 9)
СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување
Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат
- Способности неопходни за вршење на научни истражувања
СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки
Како резултат на активностите, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Позиција и движење на предметите
СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија
Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат
- Способности на технолошки дизајн
СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи
Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Наука и технологија во локалните предизвици
СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката
Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Науката како човечки потфат
Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10 до 14 години)
СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување
Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат
- Способности неопходни за вршење на научни истражувања
СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки
Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за
- Движења и сили
- Трансфер на енергија
СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија
Како резултат на активности во 5-8 одделение, сите ученици треба да се развиваат
- Способности на технолошки дизајн
СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи
Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Наука и технологија во општеството
Национални стандарди за образование во наука Одделение 9-12 (возраст од 14-18)
СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување
Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат
- Способности неопходни за вршење на научни истражувања
СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки
Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за
- Движења и сили
- Интеракции на енергија и материја
СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија
Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат
- Способности на технолошки дизајн
СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи
Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Природни извори
- Наука и технологија во локални, национални и глобални предизвици
СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката
Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за
- Историски перспективи
Стандарди за наука на следната генерација оценки 3-5 (8-11 возраст)
Движење и стабилност: Сили и интеракции
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- 3-ПС2-1. Планирајте и спроведете истрага за да обезбедите докази за ефектите на избалансираните и неурамнотежени сили врз движењето на некој предмет.
енергија
- 4-ПС3-1. Користете докази за да конструирате објаснување во врска со брзината на објектот со енергијата на тој објект.
- 4-ПС3-4. Спроведете научни идеи за да дизајнирате, тестирате и рафинирате уред што претвора енергија од една во друга форма.
Земја и човечка активност
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- 4-ESS3-1. Добијте и комбинирајте информации за да опишете дека енергијата и горивата се добиени од природни ресурси и нивната употреба влијае на околината.
Инженерски дизајн
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- 3-5-ЕТС1-1. Дефинирајте едноставен проблем во дизајнот што рефлектира потреба или желба што вклучува специфицирани критериуми за успех и ограничувања на материјалите, времето или трошоците.
- 3-5-ETS1-2. Создадете и споредете повеќе можни решенија за проблем заснован на тоа колку веројатно секој ги исполнува критериумите и ограничувањата на проблемот.
- 3-5-ETS1-3.Планирајте и извршете фер тестови во кои се контролираат променливите и се сметаат точките на неуспех за да се идентификуваат аспектите на моделот или прототипот што може да се подобри.
Стандарди за наука на следната генерација оценки 6-8 (11-14 возраст)
енергија
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- MS-PS3-5. Конструирајте, користете и презентирајте аргументи за да го поткрепите тврдењето дека кога се менува кинетичката енергија на објектот, енергијата се пренесува од или од објектот.
Инженерски дизајн
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- MS-ETS1-1 Дефинирајте ги критериумите и ограничувањата на дизајнерскиот проблем со доволна прецизност за да се обезбеди успешно решение, земајќи ги предвид релевантните научни принципи и потенцијалните влијанија врз луѓето и природната средина што може да ги ограничи можните решенија.
- MS-ETS1-2 Оценете конкурентни решенија за дизајн користејќи систематски процес за да утврдите колку добро ги исполнуваат критериумите и ограничувањата на проблемот.
Стандарди за наука на следната генерација оценки 9-12 (14-18 возраст)
енергија
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- HS-PS3-3. Дизајн, изградба и рафинирање на уред кој работи во дадени ограничувања за да претвори една форма на енергија во друга форма на енергија.
Инженерски дизајн
Студентите кои демонстрираат разбирање можат:
- HS-ETS1-2. Дизајнирајте решение за комплексен реален проблем со распаѓање во помали, податливи проблеми што можат да се решат преку инженерство.
Стандарди за технолошка писменост - сите векови
Природата на технологијата
- Стандард 2: Студентите ќе развијат разбирање за основните концепти на технологијата.
- Стандард 3: Студентите ќе развијат разбирање за односите меѓу технологиите и врските помеѓу технологијата и другите области на студии.
Технологија и општество
- Стандард 4: Студентите ќе развијат разбирање за културните, социјалните, економските и политичките ефекти на технологијата.
- Стандард 5: Студентите ќе развијат разбирање за ефектите на технологијата врз животната средина.
дизајн
- Стандард 9: Студентите ќе развијат разбирање за инженерскиот дизајн.
- Стандард 10: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на смена на проблеми, истражување и развој, пронајдоци и иновации и експериментирање во решавање проблеми.
Стандарди за технолошка писменост - сите векови
Способности за технолошки свет
- Стандард 11: Студентите ќе развијат способности за примена на процесот на дизајнирање.
- Стандард 13: Студентите ќе развијат способности за проценка на влијанието на производите и системите.
Дизајнираниот свет
- Стандард 16: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да изберат и да користат технологии за енергија и енергија.
- Стандард 20: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да избираат и користат градежни технологии.
Компјутерско инженерство
Работен лист за студенти: Дизајнирајте своја сопствена ветерница
Работите како тим инженери на кои им е даден предизвик да дизајнираат ветерница од секојдневните предмети. Вашата ветерница ќе треба да може да го издржи ветерот од вентилаторот најмалку една минута додека навивате низа или жица за да кренете лесен предмет како што е чанта со чај. Работите на буџет и ќе мора да „купите“ материјали од вашиот наставник за да го креирате вашиот дизајн. Може да вратите материјали, да разменувате материјали со други тимови, но ќе треба да ја одредите „цената“ на вашата ветерница - најмалку скапиот дизајн што одговара на предизвикот ќе се смета за најефикасен дизајн! Вашата ветерница може да биде вертикална (насочена нагоре од масата) или хоризонтална (насочена од работ на масата).
Фаза на планирање
Запознајте се како тим и разговарајте за проблемот што треба да го решите. Потоа развијте и договорете се за дизајнот на вашата ветерница. Needе треба да одредите кои материјали сакате да ги користите - имајте на ум дека вашиот дизајн мора да биде доволно силен за да издржи ветер од вентилатор или фен, а основата не може да се движи, така што ќе мора да се прицврсти на маса или полица. Нацртајте го вашиот дизајн во полето подолу и задолжително наведете го описот и бројот на делови што планирате да ги користите. Презентирајте го вашиот дизајн пред часот. Може да изберете да го ревидирате планот на вашите тимови откако ќе добиете повратни информации од часот.
|
|
| Потребни материјали и буџет:
|
Фаза на градба
Изградете ја вашата ветерница. За време на изградбата може да одлучите дека ви требаат дополнителни материјали или дека треба да се смени вашиот дизајн. Ова е во ред - само направете нова скица и ревидирајте го списокот со материјали и буџетот.
Фаза на тестирање
Секој тим ќе ја тестира својата ветерница со помош на вентилатор во училница или фен - секоја ветерница ќе се тестира со користење на иста брзина на ветер - средна - на растојание од три стапки. Needе треба да бидете сигурни дека вашата ветерница може да работи една минута со оваа брзина додека навивате лесен предмет нагоре со низа. Гледајте ги тестовите на другите тимови и наб teamsудувајте како функционираат нивните различни дизајни.
Фаза на евалуација
Оценете ги резултатите на вашите тимови, пополнете го работниот лист за евалуација и презентирајте ги наодите на часот.
Користете го овој работен лист за да ги оцените резултатите на вашиот тим на лекцијата „Работа со енергија од ветер“:
1) Дали успеавте да создадете ветерница која работеше една минута што може да подигне предмет? Ако не, зошто не успеа?
2) Дали одлучивте да го ревидирате вашиот оригинален дизајн или да побарате дополнителни материјали додека сте во фаза на изградба? Зошто?
3) Дали преговаравте за какви било материјални занаети со други тимови? Како работеше тој процес за вас?
4) Ако можевте да имате пристап до материјали што беа различни од предвидените, што би побарал вашиот тим? Зошто?
5) Дали мислите дека инженерите треба да ги прилагодат своите оригинални планови за време на изградбата на системи или производи? Зошто би можеле?
6) Ако требаше да го сторите тоа одново, како би се сменил вашиот планиран дизајн? Зошто?
7) Како се разликуваше најефикасниот дизајн (оној со најниска цена или буџет) од вашиот?
8) Дали мислите дека би можеле полесно да го завршите овој проект ако работевте сами? Објаснете
9) Какви недостатоци има една ветерна турбина како сигурен извор на енергија? Кои технологии постојат што можат да ги компензираат овие недостатоци?
10) Кои предности ги има ветерницата како обновлив извор на енергија?
